一种利用机群编队相对导航信息修正成员飞机惯性导航定位误差的方法

技术领域

本发明属于自主导航及无线电导航技术领域，特别是涉及一种利用机群编队相对导航信息修正成员飞机惯性导航定位误差的方法。

背景技术

惯性导航是基于牛顿第二定律(惯性定律)，利用陀螺仪和加速度计测量载体的角运动和线运动来计算载体位置、速度和姿态的一种技术。惯性导航同时具备自主性、隐蔽性和能获取运载体完备运动信息的独特优点，因此惯性导航系统(INS)是复杂环境下的核心导航系统，它的缺点是误差随时间累积。

在执行长途奔袭、突防任务以及应对突发军事事件时，往往需要大批飞机短时间快速运送大量兵员、武器装备及其他军用物资。具备编队飞行能力的大规模、长途奔袭机群能高效、可靠、安全地完成战略、战术任务。高精度的飞机间的相对导航信息是机群编队飞行的前提。相对导航是在协同编队飞行的各成员飞机间建立起的相对坐标系中，确定出编队内各飞机的相对导航信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用机群编队相对导航信息修正成员飞机惯性导航定位误差的方法，以提高编队飞行各成员飞机导航定位精度，从而降低编队导航系统成本。

本发明的具体实现过程如下：

一种利用机群编队相对导航信息修正成员飞机惯性导航定位误差的方法，包括如下步骤：

假设，在机群以某种队形编队飞行时，机群中一架为长机，其余飞机为僚机，协同编队飞行各成员之间惯性导航数据、相对导航数据能够相互传输；

步骤1，坐标转换

具体是工作时，惯性导航输出的大地坐标系下位置信息为纬度、经度、高度信息(L,λ,h)，相应的空间直角坐标系的位置为(X,Y,Z)，协同编队飞行各成员之间的相对导航信息是相对于空间直角坐标系确定的，在数据处理过程中需要对大地坐标系转空间直角坐标系和空间直角坐标系转大地坐标系互相转换；

步骤2，数据处理

假设协同编队飞行的机群中长机惯性导航输出位置为(L

根据僚机i惯性导航输出位置信息以及编队输出的相对导航信息解算得到长机的位置如式(2.1)所示：

其中

用单个僚机的数据对长机进行修正，可用式(2.1)得到的

如果编队内共有i架飞机，则同时刻长机惯性导航输出的位置计算如式(2.3)所示，将该位置信息转换到大地坐标系反馈回长机惯性导航，对长机惯性导航输出位置信息进行修正：

同样的，僚机修正后的位置为

其中

数据处理完成后，在编队飞行中使用修正后的位置信息进行导航。

进一步，所述大地坐标系转空间直角坐标系的转换关系具体如下：

惯性导航输出的大地坐标系下的位置可通过式(1.1)转换为空间直角坐标系的位置：

式(1.1)中

进一步，所述空间直角坐标系转大地坐标系的转换关系如下：

已知空间直角坐标系坐标计算相应大地坐标系时，大地经度

式(1.2)中tanL

本发明的积极效果：

本发明是在机群编队飞行时，利用机群编队相对导航信息，使机群内飞机惯性导航的定位误差达到平均值。惯性导航的性质决定了机群内各个惯性导航多次启动时定位误差是相互独立、随机的，且服从正态分布，这种性质决定了每次工作时，机群内不同惯性导航的定位误差可能方向各异。本发明正是利用惯性导航的这种性质与编队内各飞机的相对导航信息在飞机数量达到一定程度时，对机群内成员的惯性导航定位误差有一定的修正效果。

附图说明

图1为大地坐标系与空间直角坐标系的关系示意图；

图2为未修正前某次试验惯性导航水平位置误差曲线图，图中，δL为纬度误差、δλ为经度误差；

图3为修正后的某次试验惯性导航水平位置误差曲线图，图中，δL为纬度误差、δλ为经度误差；

图4为人字形编队飞行示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

编队成员相对导航的精度是机群协同编队飞行中，编队控制、队形保持的先决条件。惯性导航系统是协同编队飞行各成员飞机的主导航系统，而INS的定位误差随时间累积。如果没有辅助导航系统，长时间飞行的INS的定位误差随时间增大，导致导航结果不可信。对于机群协同编队的飞行任务，如果机上没有其他辅助导航设备或其他辅助导航设备不可用，则可以使用本发明方法，利用协同编队成员之间的相对导航信息与各成员惯性导航数据对各个惯性导航定位误差进行修正。

假设协同编队飞行的机群内惯性导航的性能一致，主要参数如表1所示。气压高度计测量精度σ

表1惯性导航主要参数

图2是主要参数为表1的惯性导航某次试验水平位置误差曲线，图中δL为纬度误差，δλ为经度误差，水平位置误差为1452m/h(CEP)。使用本发明的方法，某次试验中经过修正后，惯性导航水平位置误差为554m/h(CEP)，图3为该次试验水平位置误差曲线。水平位置误差按照公式(3)～(5)计算。

式(3)～(5)中：

ΔL

Δλ

L

RER

n——第i次试验采样点数；

RER

CEP——位置50％圆概率误差；

m——有效试验次数。

具体计算过程如下：

一种利用机群编队相对导航信息修正成员飞机惯性导航定位误差的方法，包括如下步骤：

假设，在机群以某种队形编队飞行时，机群中一架为长机，其余飞机为僚机，协同编队飞行各成员之间惯性导航数据、相对导航数据能够相互传输；

步骤1，坐标转换

具体是工作时，惯性导航输出的大地坐标系下位置信息为纬度、经度、高度信息(L，λ，h)，相应的空间直角坐标系的位置为(X,Y,Z)，见图1，协同编队飞行各成员之间的相对导航信息是相对于空间直角坐标系确定的，在数据处理过程中需要对大地坐标系转空间直角坐标系和空间直角坐标系转大地坐标系互相转换；

步骤1.1，所述大地坐标系转空间直角坐标系的转换关系具体如下：

惯性导航输出的大地坐标系下的位置可通过式(1.1)转换为空间直角坐标系的位置：

式(1.1)中

步骤1.2，所述空间直角坐标系转大地坐标系的转换关系如下：

已知空间直角坐标系坐标计算相应大地坐标系时，大地经度

式(1.2)中tanL

假设某次编队队形为人字形，如图4所示，包括1架主机和16架僚机共17架飞机参与编队飞行。假设长机大地坐标系下初始位置为(20

若长机空间直角坐标系位置为(X

计算中利用步骤1.1的坐标转换得到长机在空间直角坐标系初始位置为(-1.041985×10

利用步骤1.2的坐标转换得到左后方僚机1～8对应的大地坐标系的初始位置依次为：

(19.9995

(19.9990

(19.9985

(19.9980

(19.9975

(19.9971

(19.9966

(19.9961

右后方僚机1～8对应的大地坐标系的初始位置依次为：

(19.9994

(19.9988

(19.9982

(19.9976

(19.9970

(19.9964

(19.9958

(19.9952

步骤2，数据处理

假设协同编队飞行的机群中长机惯性导航输出位置为(L

其中

用单个僚机的数据对长机进行修正，可用式(2.1)得到的

如果编队内共有i架飞机，则同时刻长机惯性导航输出的位置计算如式(2.3)所示，将该位置信息转换到大地坐标系反馈回长机惯性导航，对长机惯性导航输出位置信息进行修正：

同样的，僚机修正后的位置为

其中

数据处理完成后，在编队飞行中使用修正后的位置信息进行导航。

假设用单个僚机的数据对长机进行修正，本次试验选左后方僚机1。由于惯性导航的定位误差随着时间累积且初始位置惯性导航定位误差很小，选取两次机群导航时间40分钟时左后方僚机1对长机的定位误差进行修正。

1.按照步骤1设计的轨迹第一次飞行

飞行40分钟时，长机大地坐标系下的轨迹位置为(20.0000

按照步骤2单个僚机的数据对长机进行修正，用公式(2.1)计算可得

2.按照步骤1设计的轨迹第一次飞行

飞行40分钟时，长机大地坐标系下的轨迹位置为(20.0000

按照步骤2单个僚机的数据对长机进行修正，用公式(2.1)计算可得

惯性导航的性质决定了机群内同一惯导多次启动，定位误差可能方向不同，所以即使同一架僚机不同次工作过程对长机的修正结果也可能不同。从上述两次飞行来看，只有单个僚机参与修正，对长机导航定位误差可能有较好的修正效果，也可能没有修正效果。所以为了修正机群编队成员惯性导航误差，结合惯性导航的性质，需要更多编队成员参与修正工作，以使每次工作时各编队成员的定位误差达到平均值，计算过程使用公式(2.3)，计算中需要使用的其他僚机数据同本例中左后方僚机1的使用。

需要注意的是，本发明所使用的修正方法适用于机群编队保持阶段，不适用于起飞和降落阶段。

本发明具体实施需要参与编队飞行的机群内惯性导航位置信息以及相对导航信息都可以相互传输，利用本发明可以修正机群内各成员飞机惯性导航的定位误差。

机群编队飞行时，多架飞机参与飞行，假设某次飞行以图4的编队方式飞行，机群中的惯性导航设备性能一致时，在协同编队成员数较多的情况下，在飞行中编队保持阶段利用机群编队相对导航信息与各成员惯性导航位置信息，可以延缓惯性导航位置误差的发散速度，达到修正成员飞机惯性导航定位误差的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。